JP2006310343A

JP2006310343A - カラー固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006310343A
Application number: JP2005127438A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kokusenya; 昇国仙谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】色再現性を高レベルで保ち、さらにスミア特性、感度特性の優れたカラー固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２０には受光部３があり、さらに受光部３に隣接して読み出し領域５および転送領域４が形成されている。第１透明膜８の上には受光部３に対峙するように、上に凸形状の層内レンズ９を設ける。色フィルタ１１の上には第３透明膜２２と、その上には受光部３、層内レンズ９、色フィルタ１１と対峙するようにトップレンズ１３を設ける。入射光は、トップレンズ１３および層内レンズ９より集光して受光部３に到達するが、青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒは基板内の深さ方向に対して、それぞれ異なる位置に形成する。各色の集光位置をずらすために、凸形状からなる層内レンズの曲率を変える。青用トップレンズ１３Ｂ、緑用トップレンズ１３Ｇ、赤用トップレンズ１３Ｒのレンズ形状およびレンズ曲率は同一にする。
【選択図】図１

Description

本発明はスミア特性、色再現性に優れたカラー固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ（電荷転送素子）やＣＭＯＳイメージャなどの半導体を用いて、カラー固体撮像装置を作るときには、画素毎にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色光のうち各原色光透過用色フィルタの配置を、互いに異なる原色光透過用色フィルタが隣接するような所謂市松パターンに設定し、露光マスクなどを用いて色フィルタを印刷、配置することにより構成する。

しかしながら、このような原色光透過用色フィルタの分光特性は、所定値以上の分光透過率が得られる波長領域がかなり広がった特性であり、Ｂ透過用色フィルタとＧ透過用色フィルタの間、及びＧ透過用色フィルタとＲ透過用色フィルタの間は所定値以上の分光透過率が得られる波長領域がかなり重なっている。

この結果、各色が交じり合う混色を起こし、カラー信号の劣化を引き起こすという課題を有している。

そこで、特許文献１を参照しながら、より波長選択性の高く混色の少ない分光特性を高めたカラー固体撮像装置について説明する。

図２はカラー固体撮像装置の構造断面図であり、シリコン基板１１１には、水平方向（基板表面に対して平行方向）の互いに異なる位置に、Ｂ用光電変換領域１１２Ｂと、Ｇ用光電変換領域１１２Ｇと、Ｒ用光電変換領域１１２Ｒとが互いに異なる深さで形成されている。

ここで、後述する理由により、Ｂ用光電変換領域１１２Ｂは、シリコン基板１１１の表面から深さＤ１で形成され、Ｇ用光電変換領域１１２Ｇは、シリコン基板１１１の表面から深さＤ１〜（Ｄ１＋Ｄ２）の範囲内に形成されている。

また、Ｒ用光電変換領域１１２Ｒは、シリコン基板１１１の表面から深さ（Ｄ１＋Ｄ２）〜（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）の範囲内に形成されている。

上記のＢ用光電変換領域１１２Ｂと、Ｇ用光電変換領域１１２Ｇと、Ｒ用光電変換領域１２Ｒとが形成されたシリコン基板１１１上には、配線層及び層間膜１１３が形成され、更にその配線層及び層間膜１１３上に、Ｂ用色フィルタ１１４Ｂ、Ｇ用色フィルタ１１４Ｇ及びＲ用色フィルタ１１４Ｒが、それぞれ対応するＢ用光電変換領域１１２Ｂ、Ｇ用光電変換領域１１２Ｇ及びＲ用光電変換領域１１２Ｒと垂直方向に整列するように配置形成されている。

Ｂ用色フィルタ１１４Ｂは、入射光から青色光を波長選択する色フィルタであり、Ｇ用色フィルタ１１４Ｇは、入射光から緑色光を波長選択する色フィルタであり、Ｒ用色フィルタ１１４Ｒは、入射光から赤色光を波長選択する色フィルタであり、これらは共通の透光性の保護膜１１５により被覆されて保護される。

この構造は、３つの原色光の各色フィルタ、すなわちＢ用色フィルタ１１４Ｂ、Ｇ用色フィルタ１１４Ｇ及びＲ用色フィルタ１１４Ｒと共に、シリコン基板１１１の光吸収特性を利用して、各原色光用の色フィルタの分光特性を向上させるようにした点に特徴がある。

深さの値はＲ、Ｇ、Ｂのピーク波長をどこにとるかによるが、図２では例えば、Ｄ１は０〜０．５μｍ、Ｄ２は０．５〜１．２μｍ、Ｄ３は１．２〜３．０μｍなどのように設定してある。
特開２００４−３１９６１０号公報

しかしながら、従来技術のカラー固体撮像装置は基板深さ方向の異なる位置に光電変換領域があり、トップレンズ、層内レンズで光を集めても受光部に到達する光量にばらつきが生じる。

このため、カラー固体撮像装置の感度特性、スミア特性が悪化するという課題を有していた。

前記問題に鑑み、本発明は色再現性を高レベルで保ち、さらにスミア特性、感度特性の優れたカラー固体撮像装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のカラー固体撮像装置は、入射光から各色に応じた複数の色フィルタにより波長選択された光を光電変換する複数の受光素子と、受光素子に対峙するように複数の層内レンズ、トップレンズを設け、受光素子は対峙する色フィルタに応じて異なる位置にあり、層内レンズは対峙する色フィルタに応じて異なるレンズ曲率を備え、すべてのトップレンズは同一のレンズ曲率と大きさを備えた、ことを特徴とするものである。

なお、本発明のカラー固体撮像装置は、色フィルタは青用色フィルタ、緑用色フィルタ、赤用色フィルタであり、青用色フィルタには青用受光素子と青用層内レンズが、緑用色フィルタには緑用受光素子と緑用層内レンズと、赤用色フィルタには赤用受光素子と赤用層内レンズがそれぞれ対峙した位置にあり、青用受光素子は、少なくとも赤用受光素子より基板に対して浅い位置にあり、赤用受光素子は、少なくとも青用受光素子より前記基板に対して深い位置にあり、緑用受光素子は、赤用受光素子と青用受光素子との中間の位置、あるいは赤用受光素子、青用受光素子のいずれかと同じ深さ位置にあり、青用層内レンズは、少なくとも赤用層内レンズよりレンズ曲率が大きく、赤用層内レンズは、少なくとも青用層内レンズよりレンズ曲率が小さく、緑用層内レンズは、赤用層内レンズと青用層内レンズと中間のレンズ曲率、あるいは赤用層内レンズ、青用層内レンズのいずれかと同じレンズ曲率であることがより好ましい。

なお、本発明に係るカラー固体撮像装置は、受光素子に隣接して読み出し領域、転送領域があり、すべての転送領域は基板に対して同じ深さ位置にあり、赤用受光素子、緑用受光素子に隣接した読み出し領域は、基板に対して深い位置に高濃度不純物領域を備えていることがより好ましい。

なお、本発明に係るカラー固体撮像装置は、層内レンズは上方向に凸形状を備えた層内レンズであることがより好ましい。

本発明に係るカラー固体撮像装置は、色再現性を向上しつつ集光レンズを設けることで感度の向上およびスミアの改善を行なうことができる。

さらに、ブルーミングが発生せず、読み出し電圧の上昇を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態に係るカラー固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るカラー固体撮像装置を示した構造断面図である。

まず、半導体基板２０には受光部３があり、さらに受光部３に隣接して読み出し領域５および転送領域４が形成されている。

転送領域４の上にはゲート絶縁膜２１を介して転送電極２があり、さらに転送電極２を覆うように層間絶縁膜１５を形成する。なお、ゲート絶縁膜２１はＳｉＯ₂単層あるいはＳｉＯ₂とＳｉＮの複層膜などを用いる。

また、転送電極２、層間絶縁膜１５の上は、受光部３上に開口部６ができるように遮光膜７を形成する。

また、転送電極２により生じた段差を平坦にするため、遮光膜７、開口部６上には第１透明膜８を形成する。

さらに、第１透明膜８の上には受光部３に対峙するように、上に凸形状の層内レンズ９を設ける。

なお、層内レンズ９は第１透明膜８の一部をエッチングし、第１透明膜８の一部を層内レンズ９としても良い。

さらに、層内レンズ９により生じた段差を平坦にするため第２透明膜１０を形成し、その上には受光部３、層内レンズ９に対峙するように色フィルタ１１を設ける。

さらに、色フィルタ１１の上には第３透明膜２２と、その上には受光部３、層内レンズ９、色フィルタ１１と対峙するようにトップレンズ１３を設ける。

なお、トップレンズ１３は第３透明膜２２の一部をエッチングし、第３透明膜２２の一部をトップレンズ１３としても良い。

次に、色フィルタ１１の詳細について説明する。

色フィルタ１１は原色フィルタであり青用色フィルタ１１Ｂ、緑用色フィルタ１１Ｇ、赤用色フィルタ１１Ｒから構成されている。

青用色フィルタ１１Ｂに対峙するように基板２０内に青用受光部３Ｂがあり、青用受光部３Ｂの上には、青用層内レンズ９Ｂおよび青用トップレンズ１３Ｂを備えている。

さらに、青用受光部３Ｂに隣接して、基板２０内には青用読み出し領域５Ｂとおよび青用転送領域４Ｂを備えている。

また、緑用色フィルタ１１Ｇに対峙するように基板２０内に緑用受光部３Ｇがあり、緑用受光部３Ｇの上には、緑用層内レンズ９Ｇおよび緑用トップレンズ１３Ｇを備えている。

さらに、緑用受光部３Ｇに隣接して、基板２０内には緑用読み出し領域５Ｇとおよび緑用転送領域４Ｇを備えている。

また、赤用色フィルタ１１Ｒに対峙するように基板２０内に赤用受光部３Ｒがあり、赤用受光部３Ｒの上には赤用層内レンズ９Ｒおよび赤用トップレンズ１３Ｒを備えている。

さらに、赤用受光部３Ｒに隣接して、基板２０内には赤用読み出し領域５Ｒとおよび赤用転送領域４Ｒを備えている。

次に、受光部３の形成位置の詳細について説明する。

本実施形態では、基板２０の水平方向（基板表面に対して平行方向）の互いに異なる位置に、青用受光部３Ｂと、緑用受光部３Ｇと、赤用受光部３Ｒとが互いに異なる深さで形成されている。

具体的には、青用受光部３Ｂは、シリコン基板２０の表面から深さＤ１で形成され、緑用受光部３Ｇは、基板２０の表面から深さＤ１〜（Ｄ１＋Ｄ２）の範囲内に形成されている。また、赤用受光部３Ｒは、シリコン基板２０の表面から深さ（Ｄ１＋Ｄ２）〜（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）の範囲内に形成されている。

すなわち、３つの原色光の各フィルタである青用色フィルタ１１Ｂ、緑用色フィルタ１１Ｇ及び赤用色フィルタ１１Ｒと共に、基板２０の光吸収特性を利用して、各原色光用のフィルタの分光特性を向上させるようにした点に特徴があり、シリコンの光吸収特性を利用し、各原色光用のフォトダイオードに波長選択性を持たせるようにしたものである。

通常、イメージセンサのフォトダイオード（光電変換領域）の特性は、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素で同じであるので、３原色光の波長領域のうち、波長０.４５μｍ付近を中心とする青色光波長領域の吸収係数が最も大きく、波長０.６４μｍ付近を中心とする赤色光波長領域の吸収係数が最も小さく、波長０.５３μｍ付近を中心とする緑色光波長領域の吸収係数がそれらの中間である。

そこで、基板２０において吸収係数が最も大きな青色光が入射する青用受光部３Ｂを最も浅く形成し、吸収係数が最も小さな赤色光が入射する赤用受光部３Ｒを一番深く形成し、緑用受光部３Ｇはその間の深さで形成する。

深さの値はＲ，Ｇ，Ｂのピーク波長をどこにとるかによるが、図１では例えば、Ｄ１は０〜０.５μｍ、Ｄ２は０.５〜１.２μｍ、Ｄ３は１．２〜３．０μｍなどのように設定
してある。

これにより、青用受光部３Ｂには青用色フィルタ１１Ｂ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、青色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された青色光が入射して光電変換される。

同様に、緑用受光部３Ｇには緑用色フィルタ１１Ｇ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、緑色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された緑色光が入射して光電変換される。

さらに、赤用受光部３Ｒには赤用色フィルタ１１Ｒ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、赤色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された赤色光が入射して光電変換される。

したがって、各受光部３に入射する光の波長選択性が向上するため混色の影響を低減できる。

なお、青用色フィルタ１１Ｂ、緑用色フィルタ１１Ｇ及び赤用色フィルタ１１Ｒの形成位置をすべて変えることは、カラー固体撮像装置の製造工程が複雑になる。

そこで、製造工程の簡略化を考慮して、少なくともシリコンの光吸収特性が大きく異なる青用色フィルタ１１Ｂと赤用色フィルタ１１Ｒの形成位置を変えて、緑用色フィルタ１１Ｇの形成位置は青用色フィルタ１１Ｂあるいは赤用色フィルタ１１Ｒと同位置に形成したとしても、本発明の特性効果は十分に得ることが出来る。

つぎに、層内レンズおよびトップレンズの詳細について説明する。

カラー固体撮像装置への入射光は、トップレンズ１３および層内レンズ９より集光して受光部３に到達するが、本実施形態は青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒは基板内の深さ方向に対して、それぞれ異なる位置に形成されている。

このため、本実施形態では各色の集光位置をずらすために、凸形状からなる層内レンズの曲率を変える。

具体的には、青用受光部３Ｂは各色のなかで基板の深さ方向に対して最も浅い位置に設けているため、青用層内レンズ９Ｂは曲率を大きくして、光焦点距離を短くする。

また、赤用受光部３Ｒは各色のなかで基板の深さ方向に対して最も深い位置に設けているため、赤用層内レンズ９Ｒの曲率を小さくして、光焦点距離を長くする。

また、緑用受光部３Ｇは、基板の深さ方向に対して青用受光部３Ｂと赤用受光部３Ｒの中間位置に設けているため、緑用層内レンズ９Ｇの曲率は青用層内レンズ９Ｂの曲率と赤用層内レンズ９Ｒの曲率との中間値にする。

このように、青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒは基板内の深さ方向に対して集光位置をずらすことにより、受光部３に到達せず転送領域４に侵入する漏れ光を防ぎ、スミア特性を向上させることが出来る。

また、トップレンズ１３により屈折した光を層内レンズ９により集光し、それぞれ受光部３の形成位置にあわせて光を到達させることが出来るため、感度特性も向上させることが出来る。

一方、本発明では青用トップレンズ１３Ｂ、緑用トップレンズ１３Ｇ、赤用トップレンズ１３Ｒのレンズ形状およびレンズ曲率は同一にする。

このようにトップレンズ１３のレンズ形状、レンズ曲率を同一にすることにより、受光部３に到達する光量を各色同一となり、特定の色が暗くなるという画像不良を防ぐことが出来る。

すなわち、本発明に係るカラー固体撮像装置では、青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒの形成位置が異なることに対して、層内レンズ９のみで集光位置をずらし、トップレンズ１３は同一サイズ、同一曲率とすることより、スミア特性と感度特性の両方に対して、優れた特性を得ることが出来る。

なお、図１に示した本実施形態では、各色の層内レンズ９はレンズ高さを一定であり、レンズ径のみを変えてレンズ曲率を変えている。

しかし、レンズ径が一定でありレンズ高さのみ変化させる方法や、レンズ高さおよびレンズ径の両方ともを変化させる方法を用いても良い。

また、少なくとも基板２０の光吸収特性が大きく異なる青用色フィルタ１１Ｂと赤用色フィルタ１１Ｒの形成位置を変えて、緑用色フィルタ１１Ｇは青用色フィルタ１１Ｂまたは赤用色フィルタ１１Ｒと同位置に形成した場合は、緑用層内レンズ９Ｇは青用層内レンズ９Ｂまたは赤用層内レンズ９Ｒと同一サイズ、同一曲率とする。

次に、読み出し領域の詳細について説明する。

本実施形態は、青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒは、基板２０内の深さ方向に対してそれぞれ異なる位置にあるが、転送領域４は同一位置にあり、具体的には基板２０表面の浅い位置に設けている。

転送領域４を基板２０表面の浅い位置に形成することにより、転送領域４に光が侵入しスミア特性の劣化を防ぐことが出来る。

一方、読み出し領域５は、青用受光部３Ｂ、緑用受光部３Ｇ、赤用受光部３Ｒが、基板内の深さ方向に対してそれぞれ異なる位置にあるため、各色に対応する読み出し領域５の基板深さ方向に対する読み出し領域長さ２３を変えて、受光部３から転送領域４に電荷が移動できるようにする。

具体的には、赤用読み出し領域５Ｒは、赤用受光部３Ｒが最も基板の深い位置にあるため、読み出し領域長さ２３Ｒは各色の中で最も長くなる。

また、青用読み出し領域５Ｂは、青用受光部３Ｂが最も基板の浅い位置にあるため、読み出し領域長さ２３Ｂは各色の中で最も短くなる。

また、緑用読み出し領域５Ｇは、緑用受光部３Ｇが青用受光部３Ｂ、赤用受光部３Ｒの間にあるため、読み出し領域長さ２３Ｇは各色の間となる。

さらに、赤用読み出し領域５Ｒ、緑用読み出し領域５Ｇには、基板２０に対して深い位置に高濃度不純物領域３０を形成する。

この構造により、基板２０の深い位置にある受光部３Ｒ、３Ｇに生じた信号電荷が読み出し領域５Ｒ、５Ｇに移動する際に電荷漏れを防ぐことが出来る。

さらに、読み出し領域５は不純物濃度が高濃度ではないため、信号電荷は読み出し領域５内を高速に移動することが出来る。

すなわち、転送電圧が上昇せず、さらに極端に強い光が受光部３の一部の画素に入射したときに、信号電荷が周辺にあふれ出さないため、光が入射していない部分も明るく見える現象も発生せず、いわゆるブルーミング現象を抑制することが出来る。

次に、本発明の実施形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法について説明する。

まず、基板２０にイオン注入等で受光部３、読み出し領域５、転送領域４となる
不純物拡散層を形成する。

その後、熱酸化やＣＶＤ法によりゲート絶縁膜２１を堆積させる。

このゲート絶縁膜２１は酸化膜単層でも酸化膜とチッ化膜等２層以上の積層膜でも良い。

この後、第１の転送電極をＣＶＤ法により堆積させ、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等によりパターンを形成させる。

その後、層間絶縁膜を熱酸化やＣＶＤ法により堆積させた後、第２の転送電極をＣＶＤ法により堆積させ、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等によりパターンを形成させる。

そして、これらゲートを熱酸化やＣＶＤ法により覆いその上部および受光部３上の遮光開口部６以外の領域に遮光膜１５を形成する。

この後、ＢＰＳＧ等のリフロー膜を堆積させリフローするかまたはＣＭＰ等で第１透明膜８を形成する。

その後、受光部３上にＰ−ＳｉＮ等の膜を堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等で凸形状の層内レンズ９を形成する。

この後、ＢＰＳＧ等のリフロー膜を堆積させリフローするかまたはＣＭＰ等で第２透明膜１０を形成する。

次に、色フィルタ１１をカラーレジスト塗布や染色法により形成する。

次に、透明樹脂等で上部が平坦になるように形成し、第３透明膜２２を形成する。

なお、第３透明膜２２は透明樹脂の単層構造でもよいが、透明樹脂とＣＶＤ法等による絶縁膜との多層構造でもよい。

最後に、トップレンズ１３をレジスト熱リフロー転写や熱溶融性樹脂により形成する。

以上の工程により、本発明のカラー固体撮像装置を製造する。

なお、本実施形態では、層内レンズ９は上方向に凸形状を備えたレンズを用いている。

この形状により、トップレンズにより集められた光を層内レンズ９によりさらに光を集
光させて、受光部に光を到達させることが出来る。

なお、本発明に層内レンズ９に凹形状（下方向に凸形状）を備えたレンズを用いても、本発明の効果を得ることが出来る。

具体的には、凹形状（下方向に凸形状）を備えた層内レンズ９を用いると、受光部３に到達する光の入射角は基板に対して垂直になるため、スミア特性に対して特に優れた特性を得ることが出来る。

本発明にかかるカラー固体撮像装置は、色再現特性とともに、スミア特性、感度特性に優れ、転送電圧の上昇やブルーミング現象の発生を防ぎ、情報通信機器に用いるカラー固体撮像装置の製造方法として有用である。

本発明の実施形態に係るカラー固体撮像装置を示す構造断面図従来技術のカラー固体撮像装置を示す構造断面図

符号の説明

２転送電極
３受光部
５読み出し領域
６開口部
７遮光膜
８第１透明膜
９層内レンズ
１０第２透明膜
１１色フィルタ
１３トップレンズ
１５層間絶縁膜
２０基板
２１ゲート絶縁膜
２３読み出し領域長さ
３０高濃度不純物領域

Claims

入射光から各色に応じた複数の色フィルタにより波長選択された光を光電変換する複数の受光素子と、前記受光素子に対峙するように複数の層内レンズ、トップレンズを設け、
前記受光素子は対峙する前記色フィルタに応じて異なる位置にあり、
前記層内レンズは対峙する前記色フィルタに応じて異なるレンズ曲率を備え、
すべての前記トップレンズは同一のレンズ曲率と大きさを備えた、ことを特徴とするカラー固体撮像装置。
前記色フィルタは青用色フィルタ、緑用色フィルタ、赤用色フィルタであり、
前記青用色フィルタには青用受光素子と青用層内レンズが、前記緑用色フィルタには緑用受光素子と緑用層内レンズと、前記赤用色フィルタには赤用受光素子と赤用層内レンズがそれぞれ対峙した位置にあり、
前記青用受光素子は、少なくとも前記赤用受光素子より前記基板に対して浅い位置にあり、
前記赤用受光素子は、少なくとも前記青用受光素子より前記基板に対して深い位置にあり、
前記緑用受光素子は、前記赤用受光素子と青用受光素子との中間の位置、あるいは前記赤用受光素子、青用受光素子のいずれかと同じ深さ位置にあり、
前記青用層内レンズは、少なくとも前記赤用層内レンズよりレンズ曲率が大きく、
前記赤用層内レンズは、少なくとも前記青用層内レンズよりレンズ曲率が小さく、
前記緑用層内レンズは、前記赤用層内レンズと前記青用層内レンズと中間のレンズ曲率、あるいは前記赤用層内レンズ、前記青用層内レンズのいずれかと同じレンズ曲率である、ことを特徴とする請求項１記載のカラー固体撮像装置。
前記受光素子に隣接して読み出し領域、転送領域があり、
すべての前記転送領域は前記基板に対して同じ深さ位置にあり、
前記赤用受光素子、前記緑用受光素子に隣接した前記読み出し領域は、前記基板に対して深い位置に高濃度不純物領域を備えたことを特徴とする請求項１あるいは２記載のカラー固体撮像装置。
前記層内レンズは上方向に凸形状を備えた前記層内レンズであることを特徴とする請求項１または２記載のカラー固体撮像装置。